环境科学进展.docx

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环境科学进展

环境科学进展

一、全球变化（Theglobalchange）

（一）起源和发展

1、20世纪70年代初人类学家首先使用“全球变化”

※描述人类社会、经济和政治系统愈来愈不稳定※表达国家安全和生活质量逐渐降低等特定含义

2、自然科学家在80年代借用并拓展了“全球变化”这一概念,用来指全球环境的变化

3、到世纪之交,全球变化已形成一门高度综合的学科领域,称之为“地球系统科学”或“全球变化科学”

一、全球变化（Theglobalchange）

（二）全球变化和全球变化研究

1、全球变化的定义

指可能改变地球支撑生命能力的环境变化，包括气候变化、陆地生产力变化、海洋和其他水资源变化、大气化学变化以及生态系统变化等

2、全球变化研究

指通过研究、监测、评价、预测和信息管理等行为，描述和理解控制整个地球系统相互影响的物理、化学和生物过程；发生在地球系统中的变化和受到人类行为影响的系统以及环境及其变化的特点等的活动。

（三）全球变化的主要研究计划

1、世界气候研究计划（WCRP）

（1）目标：

※深化对气候、气候变迁及气候变化机制的认识；※探索气候的可预报性及人类对气候的影响程度；

（2）核心研究计划

※热带海洋和全球大气计划（TOGA）；※世界大洋环流试验（WOCE）；※全球能量与水循环试验（GEWEX）；※平流层过程及其在气候中的作用（SPARC）；※气候变率及其可预报性（CLIVAR）。

2、国际地圈生物圈计划（IGBP）

（1）目标：

※认识控制整个地球系统的物理－化学－生物过程；※描述和了解支持生命的独特环境；※描述和理解发生在该系统中的变化和人类活动对它们的影响方式；

（2）核心研究计划

※海岸带陆地海洋相互作用（LOICZ）；※土地利用与土地覆盖变化（LUCC）；※全球海洋生态系统动力学计划（GLOBEC）。

3、全球环境变化的人类因素计划（IHDP）

（1）目标：

※促进对左右人与整体地球系统相互作用的复杂动因的科学理解和认识；※不断努力探索和预测全球环境的社会变化；※制定对付全球环境变化、促进可持续发展目标实现的政策方案

※确定大范围的社会战略及防止或减轻全球变化的不利影响，或适应无法避免的变化

（2）核心研究计划

※土地利用与土地覆盖变化，工业化转移、能源生产与消费，人口学与资源利用的社会因素；

※全球环境变化的态度、观点、行为和认同；

※社会、经济和政治构架及体制在地区、国家和国际层次上的影响；

※人类健康与全球环境变化，环境保障与可持续发展，贸易与全球环境变化，工业增长；

※人类健康与全球环境变化。

4、生物多样性计划（DIVERSITAS）

（1）目标：

※加强对生物多样性的起源、组成、功能、持续与保护等基础性研究；

※增进对生物多样性的认识、保护和可持续利用；

（2）核心研究计划

※生物多样性的起源、维持和丧失；※生物多样性的生态系统功能；※土壤和沉积物的生物多样性；※海洋生物多样性

（四）“七五”以来我国的全球变化研究

1、“七五”期间（1986-1990年）全球变化研究

（1）概况

※以中国科学院全球变化预研究和我国第一批国家自然科学基金重大项目为代表

※为我国全球变化研究奠定良好开端

（2）主要研究项目和成果

1）中国气候与海面变化及其趋势和影响初步研究

※通过搜集、整理和比较分析文献中气候史料,发展了一套数学方法,辨认出若干次气候突变；

※应用冰岩芯资料建立了分辨率达到百年的一万年气候波动曲线；

※应用地层剖面分析建立多处气候与海平面较详细的波动曲线；

※综合研究了大暖期气候特征与波动,建成了10级的分辨率以至250年内季降水记录；

※推算了近百年比较正确的海平面上升值；

※推算了至2050年长江三角洲不同地区的海面上升量及其对海岸侵蚀、湿地淹没、海堤建筑、洼地排水和盐水入侵影响评估；

※初步估计了西北、华北到2030年的升温值和降水增加趋势及其对各种水资源的影响；

2）我国长江黄河两流域旱涝规律成因与预测研究

※从近500年、近100年和近40年长江黄河两流域旱涝变化分析了两流域旱涝发生的10年以上时间尺度、年际和季节内时间尺度变化特征和规律；

※揭示了长江黄河两流域旱涝灾害的发生的原因；

※利用多种预报方法连续对1988至1992年我国夏季汛期旱涝分布作了季度与超季度预报；

※特别是较成功地预报1991年夏江淮流域和长江中下游的特大洪涝，取得了重大社会效益与经济效益；

3）黑河地区地气相互作用的观测实验研究

※以水分和热量交换为中心地气相互作用综合观测试验；

※被列入世界气候研究计划,为国际上第一个在干旱地区进行的大型陆面过程实验研究计划；

※研究近地面层湍流通量和边界层结构、辐射收支和辐射物理特征、地面蒸发和水分收支、边界层数值模拟等方面；

2、“八五”期间我国全球变化研究

（1）概况

1）原国家科委（现为国家科技部）在科技攻关项目和国家攀登计划中均启动了有关全球变化项目

※全球气候变化预测、影响和对策研究（攻关项目）

※南极晚更新世以来气候与环境演变及现代环境背景研究（攻关项目）；

※气候动力学和气候预测理论研究（攀登项目）；

※我国未来20～50年生存环境变化趋势的预测研究（同上）

※青藏高原形成演化、环境变化趋势的预测研究（同上）

※青藏高原野外试验——青藏高原物理过程对全球气候和灾害性天气的影响（同上）

2）国家自然科学基金委员会将全球变化列为专门领域,在重大、重点和面上项目3个层次上给予资助

※陆地生态系统与全球变化研究；※典型化学污染物在环境中的变化及生态效应研究

※大气臭氧变化及其对气候环境的影响研究※地表遥感信息传输及其日地系统能量传输过程等

3）中国科学院关于全球变化研究“八五”重大项目

※灾害性气象对农业和水资源的影响；※生物多样性的保护与持续利用；※南极生物资源环境系统与全球变化,海气相互作用等

4）其他部委如气象局、海洋局、原地矿部、林业部、农业部和环保局等也开展了全球变化相关研究

5）连同“七五”项目,10年内,中国全球变化研究已实施约350项，投入约1.3亿元。

（2）主要成果

1）加强了全球气候变化的研究

※建立了我国自行设计的气候系统动力模式（包含大气、大洋和陆面过程相耦合的气候系统模式）；

※开展了气候动力学基础理论和诊断分析,为模式发展和数值模拟提供了理论基础；

※开展了大规模气候模拟和气候预测试验,揭示了全球和东亚若干重大气候异常类型的形成和演变机理；

※开展了温室气体和气候预测、影响和对策评价,编制了我国温室气体排放清单；

2）发展了由我国科学家首先提出的全球变化中气候和生态过渡带的概念及其在全球变化中的敏感性和可能出现早期信号的重要科学思想

※建立了我国北方从森林、草原到半荒漠的气候和生态梯度带监测和分析系统，研究了其多要素结构及历史演变※1993年7月，被IGBP作为首批选定的中纬度4个样带之一※该样带的提出对于加深生态系统对于全球变化的理解以及不同时空尺度模型的耦合与参数转换起到了推动作用

3）研究季风区多种尺度气候与生态系统的关系

※揭示了季风区是全球变化速率最大的地区,强烈的气候变化是作用于生态系统的重要驱动力；

※提出了季风驱动的生态系统的新概念；

※该首创性的科学思想和相关项目建议被IGBP认可,并被列为东亚地区全球变化研究的第一优选领域。

4）中国地区大气臭氧柱总量及对流层臭氧总量研究

※利用卫星遥感资料揭示了1979年以来中国地区大气臭氧柱总量以及对流层臭氧总量变化特征和规律；

※发现了青藏高原夏季上空存在着大气臭氧低值中心；

※为研究全球大气臭氧损耗提供了又一新事实

5）黄土与古季风研究

※揭示了黄土高原中的黄土实际是冬季风带来的粉尘沉积物，古土壤则是夏季风的产物；※根据我国沙漠、湖泊、植被等历史资料,以及古海洋等古季风气候记录，明确了第四纪东亚气候的变迁历史；※建立了最近250万年、13万年和2万年黄土高原乃至中国中东部气候变迁序列，初步建立近13万年东亚季风演变及有关环境过程的模式；

6）青藏高原气候与环境变化过程研究

※在若尔盖盆地成功地钻取了120.4m的连续湖泊沉积岩芯，建立了青藏高原第一个达到82.6万年的连续的气候与环境变化序列；

※在西昆仑山古里雅冰帽成功地钻取了308m和90m的冰芯,建立了近2000年的高精度高分辨率气候与环境变化序列发现了8次暖期和7次冷期及其时序和幅度；

※认为近几十年青藏高原升温早于和大于我国东部,降水与温度变化呈正相关。

冰芯是全球变化研究重要手段

1、与历史记录、树木年轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土、深海岩芯、孢粉、古土壤和沉积岩等可提取气候环境变化信息的介质相比，冰芯以其保真性好（低温环境）、分辨率高（可达到年）、记录序列长（可达几十万年）和信息量大；

2、所有在大气中循环的物质都会随大气环流而抵达冰川上空，并沉降在冰雪表面，最终形成冰芯记录。

冰芯分析每一个参数都至少载有一个地球系统变化过程的信息；冰芯是全球变化研究重要手段

3、冰芯中氢、氧同位素比率是度量气温高低的指标；

4、净积累速率是降水量大小的指标；

5、冰芯气泡中的气体成分和含量可揭示大气成分演化历史

6、冰芯中微粒含量和各种化学物质成分的分析结果，可以提供不同的时期大气气溶胶、沙漠演化、植被演替、生物活动、大气环流强度、火山活动等信息；

7、宇宙成因的同位素可以提供宇宙射线强度变化、太阳活动和地磁场强度变化的证据；

8、冰芯也记录了人类活动对气候环境影响和各种信息。

青藏高原东北部的若尔盖盆地

3、“九五”期间我国全球变化研究

（1）概况

1）国家科技部启动了国家重点基础研究发展规划项目,安排了12项有关全球变化的研究

2）国家自然科学基金委员会将全球变化列为“九五”优先资助领域,加大了资助力度,5年中资助重大项目10项,重点项目48项,面上项目170项；

3）中国科学院“九五”重大项目也有较大幅度的增长；

4）这3个部门“九五”期间对全球变化总投入达6亿元,是前10年的4倍以上。

3、“九五”期间我国全球变化研究

1）针对我国生存环境重大迫切需要,瞄准国全球变化科学前沿,结合地域特点,选择典型区域,开展综合研究

※青藏高原环境演变，黄河水资源演化规律；※长江三角洲低层大气物理化学与生态相互作用※北京大气、水、土区域环境污染机理和控制

（2）主要特点

2）在我国及周边地区,开展大规模科学试验,并与国际计划相结合,成功实施了一批由我国科学家领衔的国际性科学计划

※淮河流域能量与水分循环的试验研究（中日合作）※东亚古季风的海洋记录（属国际大洋钻探计划）

※中国季风区古环境演变（属国际南极－赤道－北极剖面计划）

3）紧密与我国社会经济可持续发展相结合

※渤海和东黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用研究，解决我国近海生物资源持续利用中的关键问题，为21世纪的中国食物结构调整作出贡献；

※西北生态环境演变规律与水土资源可持续利用研究，直接为我国西部大开发战略服务。

4）多学科交叉研究的深度和广度得到加强

※内蒙古半干旱草原土壤植被大气相互作用研究、我国生存气候环境演变和北方干旱化趋势预测研究和气候变化对策与环境管理研究等项目；

※需要气候学家和生态学家乃至经济学家的合作才能得以完成。

5）注重地球的整体行为,将地球系统的各圈层联系起来,开展圈层之间相互作用的研究

※“九五”期间执行的西太平洋暖池动力过程与海气相互作用研究项目就是以往热带海洋与全球大气计划的深入；

※地球圈层相互作用中的深海过程与深海记录主要是从深海沉积中揭示地球圈层间相互作用的事实。

4、“十五”期间全球变化研究计划

1）总经费：

3500万元（不包括匹配经费）

2）研究目标：

※瞄准国际碳循环与碳收支的热点科学问题，紧跟国际前沿，实现重点突破和知识创新（长远目标）

（1）中国陆地和近海生态系统碳收支研究（中科院）

※阐明中国主要陆地和近海生态系统碳收支的系列科学问题，实现学术理论的重大创新，提高我国在国际全球变化研究领域中学术地位（总体目标）

3）主要研究主题

※中国典型陆地和近海生态系统碳通量与碳储量研究

※中国陆地和近海生态系统碳循环的主要生物地球化学过程研究

※中国陆地生态系统碳循环历史过程研究※中国陆地和近海生态系统碳循环模型研究※中国生态系统碳源汇格局与增汇对策综合研究

※以东亚大陆及近海海域若干全球变化的敏感区域为对象，以碳氮循环、水循环和季风气候变化为核心

※研究东亚季风区海－陆－气相互作用及人类活动对区域环境变化影响的机理；

（2）全球变化及其区域响应（基金委重大研究计划）

※探讨该区域环境对全球变化响应方式、响应途径、作用过程、动力机制及未来变化趋势。

2）核心科学问题

※近海海洋环境的变异及其对全球变化的响应；※东亚季风环境的演化及其与全球变化的关系；※海－陆－气相互作用与水分循环和全球变化关系；

※关键区域生态系统过程与碳循环及其对全球变化的响应与反馈；※区域环境变化的人文因素影响。

1）我国近海、河口海岸带海陆相互作用及环境效应；2）异常富营养化湖泊（水库）污染机制与控制；

3）长江流域水环境的演化规律、调控原理；4）我国东南沿海地区环境污染机制和调控原理；

（3）科技部关于全球变化研究的主要方向

5）青藏高原环境演变和全球变化研究。

（五）我国全球变化研究发展趋势

1、总体趋势

1）从认识地球系统基本规律的纯基础研究为主，转向应用研究为主；

2）特别关注全球变化的区域响应；

3）倡导集成研究的方法与途径；

4）注重人类社会对全球变化的适应问题

2、我国全球变化研究可望突破的九个方向

1）中国陆地和近海生态系统碳循环研究

※研究中国陆地和近海生态系统碳收支时空格局、碳循环过程和模型、生态系统的碳增汇/减排技术；

※阐明中国主要陆地和近海生态系统碳循环的系列科学问题；

※为全球变化背景下中国社会经济可持续发展和可持续管理提供科学依据，为我国参与UNFCCC的外交谈判提供精确可信的知识与技术支撑；

2）东亚季风区海-陆-气相互作用及人类活动对区域环境变化影响的机理研究

※研究该区域环境对全球变化响应方式、响应途径、作用过程、动力机制及未来变化趋势

※为我国在水安全、食物安全及国际公约中的国家立场等方面提供科学依据

3）水-生态-农业-社会经济区域耦合系统的模式集成

※针对中国与农业有关的水问题，建立水-生态-农业-社会经济耦合的基础理论，研制并集成有关模式，以期实现水循环与水资源的高效利用；

※通过工程节水、农艺节水和管理节水等技术的有机结合，提高灌溉水利用和提高农田水利用效率；

4）基于各种代用资料重建中国历史环境变化及人与环境的相互作用集成研究

※集成多种代用资料及多学科研究成果，虚拟再现华夏故土与华夏文明的独特演变过程；

※科学认识并构建华夏文明发展过程中人口、资源环境、发展的人地关系耦合模型；

※为全球变暖背景下国家发展重大战略决策提供科学指导

5）未来10～50年我国西部社会经济发展对全球变化影响、响应与适应性研究

※进行未来10～50年西部气候环境预测研究，寻找西部社会经济发展趋利避害的途径；

※研究西部生态环境演变规律与水土资源持续利用的途径，为国家的宏观战略决策服务；

※加强西部生态环境监测和典型示范区建设，为生态恢复和农业可持续发展提供实用技术和示范样板；

6）保障我国社会经济可持续发展的重大环境事件预测和影响评估

※沙尘暴※三峡大坝建设；※南水北调；

7）综合描述生存环境变化过程中水、土、气、生相互作用及其人类活动影响的环境系统集成模式的开发

※发展能与国际全球环境变化研究模式相互嵌套的具有中国特色的环境系统集成模式；

※为全球变化研究者提供方便实用集成模型，为政策决策者提供应对全球变化国家战略方案，为公众提供全球环境变化问题的浅显生动的科普图谱

8）全国性的、统一的全球变化学术团体的整合

※联合我国全球变化研究各方面资源与力量，建立我国的全球变化研究集成研究综合性团体；

9）全球环境变化实时预警响应网络系统的建立

※针对我国脆弱、多元的自然生态环境格局，以及全球变化的突变性、不确定性和极端（突发）事件的可能性，建立健全全球环境变化实时预警与响应的全国性网络系统

（六）全球变化与陆地生态系统研究

1、背景

1）全球变化向人类提出了一个难以对付的、非同寻常的挑战；

2）陆地生态系统将由于环境条件的迅速及大规模的空前改变而发生重大变化；

3）为了最大限度减少全球变化可能引起的不良后果，使全球变化向有利于人类生存的方向发展；

4）国际地圈－生物圈计划（IGBP）设立了“全球变化与陆地生态系统”（GCTE）核心研究项目

2、研究目的

1）预测全球变化对陆地生态系统的影响；

2）达到预警、调节和减少不良作用的效果，并提出相应的对策；

3）保证地球成为一个适合与人类生存与持续发展的生命支持系统。

3、主要科学问题

1）全球大气化学成分如何在生态系统中发生作用；

2）全球变化如何影响陆地生态系统的，陆地生态系统是怎样产生响应和反馈；

3）土地利用、海面升高和气候变化如何改变海岸生态系统，可产生什么后果；

4）海洋生物地球化学过程如何响应和影响气候变化；

5）过去发生过何重大的气候和环境变化，原因何在；

6）全球变化如何影响生物多样性；

7）如何提高观测水平,依靠气候、土地利用和经济活动未来变化来预测生态系统及服务状态；

8）在区域和全球环境变化背景下,为了确保有价值的生态系统提供产品和服务的可持续性应采取哪些政策。

4、主要科学计划

1）IGBP第一阶段（20世纪80年代至2001年）

※研究全球变化与生态系统间相互作用,量化在自然和人类活动强烈作用下生态系统发展与变化规律；

※研究陆地生态系统对于气候变化、大气组成变化及土地利用/覆盖变化的响应及其反馈作用；

※建立全球变化的生态信息系统和有效的预测模型,预测全球变化背景下未来陆地生态系统变化趋势。

2）IGBP第二阶段（2001年以后）

※启动了全球碳计划（TheGlobalCarbonProject）

※各种来源的温室气体和大气污染物的释放机理及其影响；

※生态系统水分循环,包括与土壤—植被系统有关的过程研究。

※海洋和陆地生物多样性、海洋生态系统功能及遗传资源保护,陆地和海洋生态系统可持续管理；

※荒漠化和自然灾难发生的机理,可行的预测和模拟方案,包括全球气候变化观测系统；

※土地可持续利用的管理对策,包括海岸带综合管理。

3）建立全球生态系统观测、实验和研究平台

※全球气候观测系统（GCOS）、全球陆地观测系统（GTOS）；

※全球海洋观测系统（GOOS）、全球环境监测系统（GEMS）；

※国际长期生态研究网络（LTER）

5、主要研究进展及成果

（1）全球变化影响生态系统的过程与机理

1）CO2倍增影响生态系统的过程与机理

※高CO2浓度下光合作用速率升高引起的光合产物累积超过其传输速率的植物,受氮素上传的制约出现光合下调现象；

※CO2浓度倍增能提高大豆的叶绿素含量，提高大豆的光能利用效率,促进光合作用；

※CO2浓度倍增将导致作物生育期有缩短趋势；

※CO2浓度增加,使植物碳水化合物、淀粉及其次生化合物、糖和氨基酸总量以及地上部生物量的碳氮比增加,相应地下部碳氮比的影响则不显著

2）温度变化影响生态系统的过程与机理

※高温使植物光合作用受阻,净光合速率明显下降，如小麦叶片净光合速率在高温（高于25℃）时减少,至40℃停止；

※植物的蒸腾作用对温度的敏感性高于光合作用,不同基因型适应性有别，保水性能良好基因型,在热环境下能积累较多干物质；

3）水分变化影响生态系统的过程与机理

※水分胁迫下,植物净光合速率、叶绿素含量均下降,气孔阻力增加,叶绿体超微结构受损；

※土壤水分变化影响植物的生长发育进程,干旱将导致植物生育期缩短,干物质积累减慢,而复水后存在补偿作用；

4）水热与CO2协同作用影响生态系统过程与机理

※CO2浓度增加对植物叶CO2同化速率的正响应随着温度增加而增强,但在温度过高时则呈下降趋势；

※大气CO2浓度升高可延长春小麦抽穗—成熟期,但高温对春小麦生育期的影响远大于高CO2浓度的影响,使高CO2浓度、高温下抽穗—成熟期缩短,种子提前萌发；

※CO2浓度升高对植物具有“施肥”效应,但土壤干旱则一定程度上抑制其施肥效应；

※CO2浓度升高使光合速率增加,蒸散量减少,WUE增加,又会减缓干旱的不利影响,增强作物对干旱胁迫的抵御能力；

※高温将降低因高CO2浓度对生物量的正效应,并减弱植物生产力的增强效应；

※植物在高CO2浓度下,经高温锻炼后对干旱更具适应性，土壤水分胁迫有利于提高农作物品质；

※CO2浓度升高并与高温伴随不利于农作物籽粒品质提高,对干旱条件下提高作物品质能力有抑制作用

5）O3变化影响生态系统的过程与机理

※高O3浓度将导致植物净光合强度、气孔阻力以及WUE降低,叶片数量减少,单株叶面积变小,叶片干物质积累下降,进而影响产量和质量；

※不同物种对O3浓度变化的响应和适应是不同的，如O3浓度增加可促进水稻发育,而小麦前期发育缓慢,后期衰老加快。

6）人为干扰影响生态系统的过程与机理

※适度干扰对稀疏马尾松林的自然更新及林下植物种类多样性具有一定的维持或促进作用,但不利于马尾松生长；

※放牧是草原生态系统中干扰强度最大且影响后果最为严重的人为干扰；

※中度放牧下物种多样性指数最大，有利于多样性维持,可增强草地对放牧的缓冲力。

（2）全球变化对中国陆地生态系统的影响

1）气候变化对植被/生态系统的影响

※年均温增加2℃,降水增加20%时,中国大部分地区的水热条件都向好的方向有所转变，但青藏高原将变得干热,有沙漠化的趋势；

※年均温增加4℃,降水增加20%将使中国各植被地带变得干热，森林地带干旱程度增加，但仍能满足森林水分要求；草原地带也将变得干热，西部草原亚区将变为荒漠区，森林和草原面积将大大减少；荒漠地带沙漠化加剧。

2）气候变化对森林生态系统的影响

※兴安落叶松林适宜分布区的南界北移0.1～2.7°,面积减少9%左右；

※红松南界将北移0.1～0.6°,北界将北移0.3～0.5°,面积增加3.4%左右；

※年均温升高1℃,春季物候期约提前3～5d,而秋季则推迟3～5d,绿叶期将延长6～10d；森林生产力增加幅度约为2%～8%。

3）气候变化对农田生态系统的影响

※仅考虑热量条件,气候变化后中国一熟制面积将由当前63%下降为34%,两熟制面积由24.2%变为24.9%,三熟制面积由13.5%提高到35.9%；

※中国冬小麦的安全种植北界将由目前的长城一线,北上到沈阳—张家口—包头—乌鲁木齐一线，华北目前的冬小麦品种（强冬性）将不得不被其他类型的冬小麦品种（半冬性）取代；

※中国三熟制北界将从目前长江流域移至黄河流域，二熟制北界从秦淮地区北移至内蒙和东北的南部；

※中国的西南、西北地区由于有效积温提高和CO2浓度增加,农业将增产2%,东北、内蒙古夏季增温,农业增产；

※中纬度地区在升温2℃条件下,地表蒸发能力将增加20%,即多蒸发300～400mm,加速华北、西北的干旱化